传感器在活火山监测中起着关键作用

　　火山和火山活动使我们着迷。有了更大的规律性，传感器被用来收集和分析数据，从而创造准确的火山活动预报。例如，最近的一些报纸标题:“美国宇航局阿姆斯特朗带领团队测试火山灰对飞机引擎的影响，”和“海底传感器记录可能的水下火山喷发”，以及“通过无线传感器网络监测火山爆发”。传感器具有足够的能力、可靠、准确，而且基于传感器提供的数据，足够强大，能够处理如此海量的数据。

　　估计大约有1500个潜在的活火山，而且它们能够造成很大的破坏，即使在可能不明显的地方。根据美国地质调查局(USGS)的数据，在过去的15年里，超过80架商用飞机在飞行和机场遭遇火山灰。其中的七次碰撞造成了飞机引擎动力损失，几乎导致飞机坠毁。

　　进一步调查这些事件背后的原因,自2011年以来,美国国家航空航天局与第412空军测试机翼,空军研究实验室,美国联邦航空管理局(FAA),波音公司研究与技术,普拉特和惠特尼公司通用电气航空、自由和劳斯莱斯工作通过测试和评估新的发动机健康管理技术的实现车辆综合推进研究(VIPR)项目。

　　现在，传感器被用来测试飞机所能处理的火山灰数量。使用一个c - 17和两个F117引擎提供的空军研究实验室,当前阶段的测试将介绍关于马札马火山增加大量的火山灰的引擎来评估健康监测传感器及其相关软件可以检测和报告一个问题。根据原则调查员VIPR项目工作的挑战,“我们看技术,能够识别飞机进入错误的开始阶段,我们希望能够识别和诊断,以及它们将如何随时间发生变化,”约翰说Lekki美国宇航局格伦研究中心的调查员VIPR原则。Lekki指出，调查小组将使用来自多个传感器的数据，包括振动、排放、以及整个发动机的光纤温度传感器，以识别和诊断问题。

　　除了空中的危险，海底传感器还记录着火山爆发和潜在的火山爆发。例如，华盛顿大学的深海观测站和俄勒冈州海岸附近的火山爆发。学生们昼夜不停地工作，帮助专业的深海机器人更换传感器和平台，进行年度维修，并帮助科学家和工程师检查其他仪器，包括高清摄像机和深海水和DNA采样器。

　　作为研究的一部分，地震活动被8个地震仪记录下来，这些地震仪测量的震动频率高达每秒200次，围绕着火山口和3000英尺高的海山。测量结果包括破火山口的高度、头顶的水压力以及潮汐和波浪的影响，以便精确计算位置。

　　地震不仅可以在地震前测量，还可以用来测量地震后海底景观的变化。现在，无线传感器网络也被用来检测地震，如图1所示。

　　无线传感器网络在火山上监测地震数据的图像。

　　图1:一个无线传感器网络可以用来监测活火山的地震数据。

　　传感器在工作

　　用于科学目的的传感器从运动跟踪到压力传感器，从惯性测量单元到专门用于地震监测的传感器。下面是一些传感器，它们是用来测量甚至预测什么时候一个强大的火山爆发的。

　　运动跟踪在火山地震和地震测量中起着重要的作用。例如，InvenSense MPU-9250是一个多芯片模块，由两个芯片组成，集成到一个QFN包中。其中一个模具有一个三轴陀螺仪和一个三轴加速度计。另一种芯片是Asahi Kasei Microdevices (AKM)公司的AK8963三轴磁强计。总的来说，MPU-9250(图2)是一个9轴设备，包括一个支持高级运动处理的数字运动处理器(DMP)引擎;DMP从主机处理器中卸载动作处理算法。DMP从加速度计、陀螺仪、磁力仪和额外的第三方传感器获取数据，并处理数据。生成的数据可以从DMP的寄存器中读取，也可以在FIFO中进行缓冲。DMP可以访问MPU的一个外部引脚，它可以用来生成中断。

　　英维思MPU-9250方框图图像。

　　图2:MPU-9250方框图。

　　通常情况下，根据InvenSense的报告，动作处理算法应该以很高的速度运行，通常在200hz左右，以便提供低延迟的精确结果。即使应用程序的更新速度较低，这也是必需的;例如，一个低功耗的用户界面可能会以5赫兹的速度更新，但是移动处理仍然需要200赫兹。DMP可以作为一种工具，以最小化权力、简化时间、简化软件体系结构，并将有价值的MIPS保存到应用程序的其他用途上。

　　MPU直接提供完整的9轴MotionFusion输出。它的设计目的是与多个非惯性数字传感器(如压力传感器)在其辅助的I2C端口上进行交互，它具有3个16位模拟数字转换器(adc)，用于数字化陀螺仪输出，3个16位的adc对加速度计输出进行数字化，以及3个16位的adc，用于数字化磁力仪输出。精密跟踪的快速和慢速运动,部分有一个用户可编程的陀螺仪全面范围±250±500±1000±2000°/秒(dps),一个用户可编程的加速度计全面范围±2 g,±4 g,±8 g,和±16 g,磁强计与全面的±4800μT。

　　霍尼韦尔6-D运动变型6DF-1N6-C2-HWL惯性测量单元的传感器(图3)设计用于在一个耐用的单一设备中提供运动、位置和导航感应。利用MEMS技术，可以在三个垂直轴(横摇、垂荡、摇摆)和旋转运动三个垂直轴(滚动、俯仰、偏航)中感知平移运动。

　　霍尼韦尔6DF IMU图像。

　　图3:Honeywell 6DF IMU提供了来自一个设备的运动、位置和导航感应。

　　6df(六自由度)系列IMU测量目标的运动，并将数据传送到设备的控制模块中，使用行业标准的SAEJ1939通信协议。在两个版本中，6DF-1N6-C2-HWL可以容忍振动和恶劣的环境，允许在恶劣的环境中进行最佳的性能，并有少量的精度降低。它的铝外壳保护装置免受石头、灰尘、污垢和湿度的破坏，允许在恶劣的室外环境中使用。它也耐腐蚀，以减少对变质的易感性，这通常在盐水环境中是有经验的。

　　德州仪器DAC1280IPW(图4)是一种适用于地震监测的低失真数字-模拟转换器。它提供了一个高准确度的输出信号从一个比特流输入。该装置在一个小的包中达到很高的线性度，而耗散仅为18mw。该设备与公司ADS1281和ADS1282 adc一起，创建了一个测试和测量系统，满足了地震监测设备的严格要求。

　　德州仪器的图像，DAC1280框图。

　　图4:DAC1280框图。

　　在地震监测系统三个增益控制针DAC1280IPW设置输出范围从0分贝在6 dB步骤-36分贝(±2.5±0.039 V微分)。衰减范围与ADS1282的增益匹配，用于测试所有增益。DAC使用参考电压和偏压电阻来设置全尺寸输出。电阻器可调整为微调DAC的全尺寸。同步针将输入数据采样校准到CLK阶段。当不使用时，电源向下的针会关闭设备。DAC1280可用在一个小,16-pin TSSOP包和完全指定操作超过-40°C + 85°C的温度范围的最高工作温度+ 125°C。

　　运动和热观测是用于火山监测和监测正在进行的火山活动的许多地面技术之一。例如，圣赫伦斯山内传感器网络的每个节点都配备了地震检波器来探测地震，一个GPS接收器可以精确定位并测量小的地面变形和一个红外传感器来探测火山爆发。这篇文章研究了一些非常适合用于火山监测的传感器，并讨论了这些传感器是如何工作的。